一种小型化立体对数周期天线

1.本发明涉及天线领域，特别是涉及一种小型化立体对数周期天线。


背景技术：

2.对数周期天线是一种非频变天线，所谓非频变是指天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电特性随频率的对数成周期性变化，并在很宽的频带内保持基本不变。
3.随着技术革新和市场需求，天线的小型化需求越发广泛，但天线的性能在很大程度上是由尺寸来决定的，在天线小型化的同时，还需要考虑到天线的极化、带内方向图稳定性、增益稳定性以及满足宽频带的特性等诸多问题
4.目前对数周期天线为了满足正常工作的需求，振子单元的尺寸一般较大，从而导致整个对数周期天线的体积较大，占用空间较高，自然其质量也较重。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供一种小型化立体对数周期天线，在满足对数周期天线正常工作需求的同时，极大的缩小了对数周期天线的体积。
6.本发明实施例提供一种小型化立体对数周期天线，所述天线包括：第一集合线、第二集合线以及多对振子单元；
7.所述第一集合线与所述第二集合线在空间上有预设角度的错位；
8.所述第一集合线上设置有预设数量对的振子单元；
9.所述第二集合线上设置有所述预设数量对的振子单元；
10.其中，所述第一集合线上与所述第二集合线上相同尺寸的两对振子单元处于同一水平线上，定义该相同尺寸的两对振子单元为一组振子单元；
11.同一组振子单元在各自方向上交叉排布；
12.不同组振子单元彼此相互平行；
13.每一对振子单元中任一振子单元包括：t型顶部加载结构和科赫型折叠结构，所述t型顶部加载结构的顶部为圆弧形；
14.所述每一对振子单元中两个振子单元为正交连接。
15.可选地，科赫型折叠结构的折叠角以及所述圆弧形的圆弧长度，根据标准振子单元的尺寸计算得到，所述标准振子单元的尺寸是按照频率的对数周期确定的。
16.可选地，所述天线还包括：馈电结构；
17.所述馈电结构与所述第一集合线和所述第二集合线相接；
18.所述馈电结构对应所述第一集合线相接处开设有贯穿的孔洞。
19.可选地，所述天线还包括：sma接口；
20.所述sma接口与所述馈电结构连接；
21.所述sma接口的内导体穿过所述贯穿的孔洞与所述第一集合线接触连接。
22.可选地，所述第一集合线、第二集合线、所述多对振子单元以及所述馈电结构基于
选择性激光融化3d打印技术，利用金属粉末一体成型制作。
23.可选地，所述预设角度为45度；
24.所述第一集合线与所述第二集合线在空间上有45度的错位。
25.可选地，所述同一组振子单元的两对振子单元相位差为180度。
26.可选地，所述预设数量对根据所述天线工作频段的需求进行确定。
27.所述天线工作频段的需求越大，所述预设数量对的对数数量越大。
28.可选地，所述第一集合线远离所述馈电结构的一端，与所述第二集合线远离所述馈电结构的一端连接。
29.可选地，所述sma接口与所述馈电结构通过螺栓连接；
30.所述馈电结构对应所述螺栓连接处开设有螺栓孔。
31.本发明提供的小型化立体对数周期天线，第一集合线与第二集合线在空间上有预设角度的错位，这样可以使得同一组振子单元在各自方向上交叉排布，满足整个天线的交叉馈电的条件。每一对振子单元中任一振子单元包括：t型顶部加载结构和科赫型折叠结构，t型顶部加载结构的顶部为圆弧形；每一对振子单元中两个振子单元为正交连接。
32.圆弧形的顶部加载结构使得本发明的对数周期天线的电流分布与目前已知对数周期天线的电流分布相同，结合科赫型折叠结构，使得相同性能下，相较于目前已知对数周期天线的振子单元，本发明的对数周期天线的尺寸明显缩减。正交连接的两个振子单元避免了t型顶部加载的重叠，同时也使得每个振子单元的空间可以任意调整。另外，因t型顶部加载存在，而会产生电流扰动，进而导致对数周期天线的增益下降，而本发明的对数周期天线的同一组振子单元中，其中一组振子单元的辐射补偿了因t型顶部加载存在而产生的电流扰动，弥补了对数周期天线增益。本发明的对数周期天线，在保证了天线增益、满足正常工作需求的同时，极大的缩减了整个对数周期天线的体积，降低了其占用空间，自然其质量也较轻。为对数周期天线的进一步小型化提供了更优的设计方向。
附图说明
33.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
34.图1是本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的正视模型图；
35.图2是本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的侧视模型图；
36.图3是本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的俯视模型图；
37.图4是本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的仰视模型图；
38.图5本发明实施例中任一对振子单元3的结构示意图；
39.图6是本发明实施例对数周期天线的第一集合线1和第二集合线2的错位结构的示意图；
40.图7是本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的正视模型图；
41.图8是本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的侧视模型图；
42.图9是本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的俯视模型图；
43.图10是本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的斜视模型图；
44.图11是本发明实施例中馈电结构4的俯视模型图；
45.图12是本发明实施例中sma、馈电结构4以及对数周期天线相连时的示意图；
46.图13(a)是本发明实施例中对数周期天线的s11参数曲线图；
47.图13(b)是本发明实施例中对数周期天线的增益曲线图；
48.图14(a)是本发明实施例的对数周期天线在1ghz时e面上全角的辐射方向图；
49.图14(b)是本发明实施例的对数周期天线在1ghz时h面上全角的辐射方向图；
50.图14(c)是本发明实施例的对数周期天线在2ghz时e面上全角的辐射方向图；
51.图14(d)是本发明实施例的对数周期天线在2ghz时h面上全角的辐射方向图；
52.图14(e)是本发明实施例的对数周期天线在3.4ghz时e面上全角的辐射方向图；
53.图14(f)是本发明实施例的对数周期天线在3.4ghz时h面上全角的辐射方向图。
具体实施方式
54.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
55.参照图1，示出了本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的正视模型图，参照图2，示出了本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的侧视模型图，参照图3，示出了本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的俯视模型图，参照图4，示出了本发明实施例一种小型化立体对数周期天线的仰视模型图，结合图1～4，该对数周期天线包括：第一集合线1、第二集合线2以及多对振子单元3；其中，第一集合线1与第二集合线2在空间上有预设角度的错位，这样可以使得同一组振子单元在各自方向上交叉排布，满足整个天线的交叉馈电的条件，且使得同一组振子单元的两对振子单元相位差为180度。该种预设角度的错位可以参照图6得到更好的理解，在下文处描述，先不赘述。
56.第一集合线1上设置有预设数量对的振子单元3，第二集合线2上设置有相同预设数量对的振子单元3；振子单元3的对数，是根据对数周期天线工作频段的需求决定的，对数周期天线工作频段的需求越大，预设数量对的对数数量越大。例如：图1～4所示的对数周期天线每一集合线上设置有7对振子单元3，其可以满足工作频段1ghz～3.5ghz的对数周期天线的需求，假若需要更大工作频段，那么可以增加振子单元3的对数，当然，可以理解的是，振子单元3的对数越多，整个对数周期天线的体积就越大。
57.第一集合线1上与第二集合线2上相同尺寸的两对振子单元3处于同一水平线上，定义该相同尺寸的两对振子单元3为一组振子单元a1；同一组振子单元在各自方向上交叉排布；不同组振子单元彼此相互平行。每一对振子单元3中两个振子单元为正交连接。正交连接的两个振子单元避免了t型顶部加载的圆弧形的重叠，同时也使得每个振子单元的空间可以任意调整，即每个振子单元的尺寸可以根据实际需求任意调整。
58.每一对振子单元3中任一振子单元包括：t型顶部加载结构和科赫型折叠结构，例如图5所示的任一对振子单元3的结构示意图，中间圆形表示集合线，t型顶部加载结构301的顶部为圆弧形；圆弧形的圆弧长度以及科赫型折叠结构302中的折叠角，需要根据标准振子单元的尺寸计算得到，所谓标准振子单元的尺寸是按照频率的对数周期确定的。例如：假设某一对数周期天线按照频率的对数周期计算得到其最短振子单元的长度为1米，那么对
应本发明实施对数周期天线的最短振子单元对中任一振子单元，其科赫型折叠结构302的长度加上其t型顶部加载结构301的一半圆弧长度需要等于1米，根据这个需求，进行计算从而得到t型顶部加载结构301的圆弧长度以及科赫型折叠结构302中的折叠角的角度。其余振子单元的t型顶部加载结构301的圆弧长度以及科赫型折叠结构302中的折叠角的角度，利用上述相同的方法均可确定出来。图3、图4中示意性的标识出每对振子单元3，没有标识的振子单元形状相同，在尺寸上不同大小。
59.t型顶部加载结构301圆弧形的结构使得本发明实施例的对数周期天线的电流分布与目前已知对数周期天线的电流分布相同，那么结合科赫型折叠结构302，即可使得相同性能下，相较于目前已知对数周期天线的振子单元，本发明实施例的对数周期天线的尺寸明显缩减。根据实测，相同性能的本发明实施例对数周期天线的体积，相较于目前已知对数周期天线的体积缩减达到42％，这种体积的缩小效果极高，极大的降低了对数周期天线占用的空间，自然其质量也极高的减轻。
60.本发明实施例对数周期天线因t型顶部加载的存在，而会产生电流扰动，进而导致对数周期天线的增益下降，因此本发明实施例的对数周期天线的同一组振子单元中，其中一组振子单元的辐射补偿了因t型顶部加载的存在而产生的电流扰动，弥补了对数周期天线增益。例如：假若对数周期天线的馈电方向是从第一集合线1至第二集合线2，那么第二集合线2上的振子单元的辐射补偿了因t型顶部加载的存在而产生的电流扰动；假若对数周期天线的馈电方向是从第二集合线2至第一集合线1，那么第一集合线1上的振子单元的辐射补偿了因t型顶部加载的存在而产生的电流扰动。
61.本发明实施例对数周期天线的第一集合线1和第二集合线2的错位，参照图6所示的示意图，假设预设角度为45度(45
°
)，图6中左边虚框100中所示为目前已知对数周期天线的两个集合线的位置关系，其中1001和1002分别为两个集合线，1003为其振子单元；图6中右边虚框200中所示为本发明实施例对数周期天线的两个集合线的位置关系，其中2001和2002分别为两个集合线，2003为一对振子单元。可以知晓，目前已知对数周期天线的两个集合线在空间上是没有错位的，而本发明实施例对数周期天线的两个集合线在空间上有45
°
错位。这样就可以使得同一组振子单元在各自方向上交叉排布，满足整个对数周期天线的交叉馈电的条件，且使得同一组振子单元的两对振子单元相位差为180度(180
°
)。同时，这样的设置也消除了目前已知对数周期天线为满足其所需的相位关系而需要进行交替排列的设置。图6中所示均为俯视方向时得到的示意图。
62.本发明实施例对数周期天线还包括：馈电结构4。参照图7，示出了本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的正视模型图，参照图8，示出了本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的侧视模型图，参照图9，示出了本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的俯视模型图，参照图10，示出了本发明实施例带馈电结构4的对数周期天线的斜视模型图，参照图11，示出了本发明实施例中馈电结构4的俯视模型图。由图10中可以知晓，本发明实施例的对数周期天线的振子单元中，科赫型折叠结构302中有三个折叠角，其中折叠角3021与折叠角3022的角度大小相等，折叠角3020的角度大于折叠角3021和折叠角3022。该折叠角就是根据前述的折叠角确定方法计算得到的，当然，根据对数周期天线不同的工作频段需求，科赫型折叠结构302中的折叠角数量以及折叠角角度均会有不同。图9、图10中示意性的标识出每对振子单元3，没有标识的振子单元形状相同，在尺寸上不同大小。
63.本发明实施例对数周期天线的馈电结构4与第一集合线1和第二集合线2相接；馈电结构4对应第一集合线1相接处开设有贯穿的孔洞401，以及与sma接口连接的螺栓孔402～405。sma接口与馈电结构4连接；sma接口的内导体穿过贯穿的孔洞401与第一集合线1接触连接。sma接口与馈电结构4通过螺栓连接；馈电结构4对应螺栓连接处开设有螺栓孔402～405。参照图12所示，图12所示为sma、馈电结构4以及对数周期天线相连时的示意图，其中，inner conductor of sma表示sma的内导体，screw hole表示螺栓孔，feeding line表示集合线，radiating element表示振子单元。
64.在实际的对数周期天线结构中，第一集合线1与sma接口的内导体相连处有一个小凹陷(图12中未示出)，以使得第一集合线1与sma接口的内导体更好的接触。对数周期天线的馈电方向由sma接口的内导体至第一集合线1，再至第二集合线2。
65.本发明实施例对数周期天线，由于结构的复杂和尺寸的小型化，基于印制电路板或者铸造等技术制作较为困难，一种优选的方式可以为：第一集合线1、第二集合线2、多对振子单元3以及馈电结构4基于选择性激光融化(slm)3d打印技术，利用金属粉末(例如：铝)一体成型制作。本发明实施例对数周期天线的第一集合线1远离馈电结构4的一端，与第二集合线2远离馈电结构4的一端连接，当然，第一集合线1远离馈电结构4的一端，与第二集合线2远离馈电结构4的一端也可以不连接，本发明实施对此不作具体限定。
66.以下针对上述对数周期天线的性能进行模拟仿真测试和实测，
67.参照图13(a)，示出了对数周期天线的s11参数曲线图，图13(b)示出了对数周期天线的增益曲线图；其中，frequency指天线工作频率，单位：ghz；gain指增益，单位：db。横坐标表示工作频段，图13(a)中纵坐标表示s11参数，图13(b)中纵坐标表示增益。
68.图13(a)中各曲线的含义如下：
69.由实线组成的曲线为对数周期天线的s11参数仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线的s11参数实测曲线。
70.图13(b)中各曲线的含义如下：
71.由实线组成的曲线为对数周期天线的增益仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线的增益实测曲线。由图13中反映出，实测得到的阻抗带宽(116％，0.94～3.54ghz)与仿真结果一致。仿真和实测的平均增益分别为5.5dbi和5.3dbi。s11参数小于
‑
10db，满足实际使用要求。
72.参照图14(a)，示出了本发明实施例的对数周期天线在1ghz时e面上全角的辐射方向图；图14(b)示出了本发明实施例的对数周期天线在1ghz时h面上全角的辐射方向图；图14(c)示出了本发明实施例的对数周期天线在2ghz时e面上全角的辐射方向图；图14(d)示出了本发明实施例的对数周期天线在2ghz时h面上全角的辐射方向图；图14(e)示出了本发明实施例的对数周期天线在3.4ghz时e面上全角的辐射方向图；图14(f)示出了本发明实施例的对数周期天线在3.4ghz时h面上全角的辐射方向图；其中，angle指角度，单位：deg；normalized gain指归一化增益，单位：db。
73.图14中各曲线的含义如下：
74.图14(a)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在1ghz时e面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在1ghz时e面上全角的归一化增益的实测曲线。
75.图14(b)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在1ghz时h面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在1ghz时h面上全角的归一化增益的实测曲线；综合两图可知晓，对数周期天线在1ghz时，仿真归一化增益为4.1dbi，实测归一化增益为4.3dbi。
76.图14(c)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在2ghz时e面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在2ghz时e面上全角的归一化增益的实测曲线。
77.图14(d)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在2ghz时h面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在2ghz时h面上全角的归一化增益的实测曲线；综合两图可知晓，对数周期天线在2ghz时，仿真归一化增益为6.0dbi，实测归一化增益为5.8dbi。
78.图14(e)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在3.4ghz时e面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在3.4ghz时e面上全角的归一化增益的实测曲线。
79.图14(f)中，由实线组成的曲线为对数周期天线在3.4ghz时h面上全角的归一化增益的仿真曲线；由短横线组成的虚线为对数周期天线在3.4ghz时h面上全角的归一化增益的实测曲线；综合两图可知晓，对数周期天线在3.4ghz时，仿真归一化增益为6.3dbi，测量归一化增益为5.9dbi。
80.综上所述，本发明提供的小型化立体对数周期天线，第一集合线与第二集合线在空间上有预设角度的错位，这样可以使得同一组振子单元在各自方向上交叉排布，满足整个天线的交叉馈电的条件。每一对振子单元中任一振子单元包括：t型顶部加载结构和科赫型折叠结构，t型顶部加载结构的顶部为圆弧形；每一对振子单元中两个振子单元为正交连接。
81.圆弧形的顶部加载结构使得本发明的对数周期天线的电流分布与目前已知对数周期天线的电流分布相同，结合科赫型折叠结构，使得相同性能下，相较于目前已知对数周期天线的振子单元，本发明的对数周期天线的尺寸明显缩减。正交连接的两个振子单元避免了t型顶部加载的重叠，同时也使得每个振子单元的空间可以任意调整。另外，因t型顶部加载存在，而会产生电流扰动，进而导致对数周期天线的增益下降，而本发明的对数周期天线的同一组振子单元中，其中一组振子单元的辐射补偿了因t型顶部加载存在而产生的电流扰动，弥补了对数周期天线增益。本发明的对数周期天线，在保证了天线增益、满足正常工作需求的同时，极大的缩减了整个对数周期天线的体积，降低了其占用空间，自然其质量也较轻。为对数周期天线的进一步小型化提供了更优的设计方向。
82.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
83.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员
在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。